《螺杆式行驶助力装置》研究报告

螺杆式行驶助力装置研究报告刘兆志徐中柯朱斌石教大汤皓晨武汉工程大学邮电与信息工程学院指导教师伍堃[摘要]针对爬楼装置的稳定性问题，设计了一种新型的爬楼装置。对该装置的结构的运动学模型进行了分析和论证，利用螺旋传动的原理，让机构中一对仅旋向相反的螺杆组同时相对而转，抵消横向作用力并保留向前的推动力，当装置中的双螺杆组与楼梯台阶接触时可向上行驶达到爬楼的效果。结果表明该装置在台阶上做出平稳的行驶，具有较好的自锁功能，结构简单。为未来便携式爬楼助力装置的开发和应用提供了可行性。[关键词]螺杆爬楼装置螺旋传动自锁[Abstract]Inviewofthestabilityoftheclimbingdevice,anewtypeofclimbingdeviceisdesigned.Thekinematicmodelofthestructureofthedeviceareanalyzedanddemonstrated.Accordingtotheprincipleofhelicaltransmission,thelateralforceofthemechanismisoffsetandtheforwardthrustisretainedthroughthereverserotationonapairofcounterrotatingscrewgroupsinthemechanism.Thedevicemovealongthestairswhenthescrewgroupstouchthestairstep.Theresultsshowthatthedevicecanmakeasmoothrunningonthestep,andhasgoodself-lockingfunctionandsimplestructure.Itprovidesthefeasibilityforthefuturedevelopmentandapplicationofstairclimbingdevice.[Keywords]Screw;Stairclimbingdevice;Screwdrive;Selflocking1研究背景目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。其都有各自优缺点。履带式爬楼梯装置的原理类似于坦克，其原理简单，技术也比较成熟。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用[1]。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏;且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式[2]。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定;而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。复合类机器人基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点，在研究中，采用了腿一履复合和轮-腿一履带复合等结构[3]。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已久，成果也较多,但由于结构复杂、造价昂贵，使得这些发明在国内的应用前景有一定的局限性。而国内的研究相对较晚，虽然诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正安全广泛的投入使用[4-7]。为了解决移动机器使用受限的问题，同时考虑经济性，设计了一种螺杆式行驶爬楼梯装置。本研究报告以该装置的结构设计为研究对象，对机构的运动学模型进行了分析和论证，发明了一种结构简单能在楼梯台阶上做平稳的行驶的双螺杆式行驶助力装置。助力器接触楼梯时，台阶边缘嵌入两侧螺杆的螺纹中，启动电机，两侧旋向相反的螺杆同时开始旋转，两侧螺杆旋转时产生的横向的作用力互相抵消，利用螺旋传动的原理，使机构产生沿楼梯向上的推动力，推动货物沿楼梯向上方运动。为未来便携式爬楼助力装置的开发和应用提供了可行性。2设计方案2.1助力装置的设计要求经分析，设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题：1）爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标2）使用安全性；3）对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题。其次，爬楼机器人还要满足以下基本要求：我国《建筑楼梯模数协调标准》规定:楼梯踏步高度“不宜大于210mm，并不宜小于140mm；楼梯踏步宽度b，应采用220，240，260，280，300，320mm；楼梯踏步高与宽的关系式:2a+b≤600(a-踏步高，b-踏步宽)”。机械要适应规定的尺寸范围，能够顺利的上下楼梯，即强调它的强适应性。2.2助力装置的总体方案2.2.1助力装置爬楼原理设计经综合分析，本课题确定采用螺杆式爬楼机构。爬楼助力器要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能(楼梯规格:140<_a<_210,220<_b<_320)。本研究报告设计的螺杆式爬楼梯助力器的整体结构由两部份组成，包括位于机器中间部位由两个个螺杆驱动的主车架，以及平地使用的轮式机构。图1爬楼梯原理简图在平地使用时，可以利用助力器后侧的两个大轮在平地拖曳；当助力器接触楼梯时如上图1，两侧螺杆接触台阶，台阶边缘嵌入螺纹中，此时启动电机，两侧旋向相反的螺杆同时开始旋转，两侧螺杆旋转时产生的横向的作用力互相抵消，利用螺旋传动的原理，使机构产生沿楼梯向上的推动力，推动货物沿楼梯向上方运动。由于平地运动机构和爬楼运动机构是相互独立的，所以做成可拆分模块，爬楼运动机构模块可以安装在普通拖车上使用。图2注：螺杆按照图2中旋向旋转，可以使两侧螺杆与台阶的压力保持相等。2.2.2助力装置传动设计方案由于需要将一个电机的动力传递到两个旋向相反的螺杆上，因此选择用一对同步齿轮将电机的扭矩分配到两根轴上，再利用两根同步带将动力分配在螺杆上。图3传动部件特写3结构的运动学模型分析按照上节的设计，我们确定制作物理样机的主要参数如下:车体长:L=650mm;车体宽:Y=440mm;车体质量:M=10Kg;螺杆小径:D=80mm;螺距P=50mm轴径d=8mm;3.1电机的选取假设一节台阶的高度为180mm，宽度为240mm，螺杆直径为80mm，螺距为50mm，预定要求全重500N的情况下每秒上行1个台阶。根据要求，输出功率，螺杆的转速为,由于在滑动螺旋传动中，摩擦阻力较大，传动效率较低，故选择输入功率为200W，由一台200W的电动机提供。3.2螺杆受力分析长度的设计长650mm。材料为滚动轴承钢，因为滚动轴承钢有以下优点：1）高强度和硬度，HRC60－62，承受高的压应力；

2）高的接触疲劳抗力，接触应力可达3000-3500MPa；

3）高的耐磨损能力圆轴扭转的强度条件为：由上式可得轴的直径计算公式：式中A—计算常数，与轴的材料和承载情况有关,查机械设计手册可以看相关的数据求和电机的扭矩可以算出轴的直径大于等于7.2mm.选取8mm.4其他零部件的选型4.1联轴器RS系列线性顶丝联轴器型号:最大外径:额定扭矩:最大扭矩:偏心误差:轴角偏角:追高转速:4.2轴承立式、卧式轴承座结构材质:铸铁+轴承钢轴孔内径:8mm固定孔径:5mm立式尺寸:长度55mm，厚度13mm，高度30mm重33.76g，固定孔距42mm卧式尺寸:长度47mm，厚度12mm，高度27mm重27.16g，固定孔距37mm4.3同步带表1同步带参数规格型号wT规格代号节线长齿数D-XL0.5083.05196XL－1970XL497.84－5003.898－985D-L0.7624.58203L－1988L514.35－5048.2554－530D-H1.3725.95670H－2500H1701.8－6350124－500D-XH2.79415.49700XH－2275XH1778.00－5778.580－260D-XXH3.04822.11700XXH－2625XXH1778.00－6667.556－210D-T2.50.62T2.5x500－T2.5x5000500.00－5000.00200－2000D-T513.4T5x500－T5x7000500.00－7000.00100－1400D-T1027T10x500－T10x7050500.00－7050.0050－705D-T20313T20x1700－T20x70001700.00－7000.0085－350D-AT1027AT10x500－AT10x7000500.00－7000.0050－700HTD.DA-3M0.763.1501-3M－5010-3M501.00－5010.00167－1670HTD.DA-5M1.1435.26500-5M－7000-5M500.00－7000.0050－1400HTD.DA-8M1.3728.17512-8M－6880-8M512－688064－860HTD.DA-14M2.814.841750-14M－6860-14M1750－6860125－490HTD.DA-S8M1.3727.48S8M-512－S8M512－64－860由表可选，带轮的内径为8mm.外径为23.75mm，型号为23XL型，齿数23，同步带周长为350mm，XL型。结论本文通过数控机床加工等方法成功制作了螺杆式行驶助力装置。该样机装置的尺寸为650mm×440mm×10mm。该螺杆式爬楼助力装置具有结构，成本低廉，工作可靠，方便维护保养，零件更换，易于实现自锁，运转平稳等优点。该设备经进一步完善其控制系统后，将实现平地和楼梯间的自动对接，成为爬楼助力装置中的最佳候选者，为打开国内外爬楼助力装置的市场领域开拓很广阔的前景，其潜在的经济价值十分巨大，很难用具体的数字衡量。图4样机装配图结论本文通过数控机床加工等方法成功制作了螺杆式行驶助力装置。该样机装置的尺寸为650mm×440mm×10mm。该螺杆式爬楼助力装置具有结构，成本低廉，工作可靠，方便维护保养，零件更换，易于实现自锁，运转平稳等优点。该设备经进一步完善其控制系统后，将实现平地和楼梯间的自动对接，成为爬楼助力装置中的最佳候选者，为打开国内外爬楼助力装置的市场领域开拓很广阔的前景，其潜在的经济价值十分巨大，很难用具体的数字衡量。致谢本项目研究得到了伍堃的悉心指导，伍堃老师在机械构造研究和机械加工方面给予了大力的帮助，特此衷心谢忱。参考文献[1]MoralesR,FeliuV,GonzalezA,etal.Kinematicmodelofanewstaircaseclimbingwheelchairanditsexperimentalvalidation[J].TheInternationalofRoboticsResearch,2006,25(9):825-841.[2]WangT,WngYC,YaoC.Studyonmechanismofamobilerobotusdeinunstructuredenvironment[C]//IEEEInernationalConferenceonRoboticsandBiom